董中奇，陳敏，陳銳，尹迪，劉振民

(1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金屬材料工程系，石家莊 050000；2.邢臺鋼鐵有限公司，河北 邢臺 054027)

GCr15軸承鋼中的碳含量較高，在鋼液凝固過程中易形成較為嚴(yán)重的宏觀碳偏析，且在后期的加熱、軋制過程中難以有效消除，從而影響成品鋼材的質(zhì)量。國內(nèi)、外對有效降低鋼液在凝固過程中的碳偏析進(jìn)行了大量研究，也提出和采用了諸如電磁攪拌、輕壓下等許多新技術(shù)，并取得較好效果[1-3]。結(jié)合GCr15鋼的熱塑性曲線及高溫?cái)U(kuò)散規(guī)律，在開坯車間對連鑄坯加熱過程中，采取較高的加熱溫度和不同的加熱時(shí)間，比較連鑄坯碳化物偏析在一定的高溫條件下產(chǎn)生的擴(kuò)散效果，找出利于改善碳化物偏析的加熱溫度和加熱時(shí)間。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料均來自某鋼廠生產(chǎn)的大方坯和小方坯。大、小方坯的劃分目前還無明確規(guī)定，但通常按照坯料的斷面尺寸來分類，將斷面尺寸≤160 mm×160 mm的方坯稱為小方坯；斷面尺寸≥240 mm×240 mm的稱為大方坯；斷面尺寸介于二者之間稱之為方坯。試驗(yàn)方案為：加熱工藝分3段，工藝參數(shù)見表1。樣品采用Gleeble1500D熱模擬機(jī)，對GCr15熱塑性進(jìn)行試驗(yàn)研究，設(shè)定加熱速度為30 ℃/s；保溫時(shí)間為30 s；變形速率為1/s；變形方式為拉伸。

表1 GCr15軸承鋼的加熱工藝方案 h

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 小方坯生產(chǎn)GCr15鋼碳化物的析出情況

160 mm×160 mm小方坯共計(jì)5批，碳化物析出情況見表2。由表2可知，加熱工藝制度對GCr15鋼碳化物的析出有較大影響，當(dāng)加熱溫度為1 180 ℃且時(shí)間為1.60～1.86 h時(shí)具有較小的偏析和液析。

表2 小方坯碳化物析出情況

塑性試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯?dāng)GCr15鋼的加熱溫度在800 ℃以下時(shí)，抗拉強(qiáng)度較高，斷面收縮率較低，屬于塑性敏感區(qū)域，需要緩慢加熱；當(dāng)加熱溫度大于800 ℃后，抗拉強(qiáng)度迅速降低，斷面收縮率大幅升高，可以快速加熱到高溫?cái)U(kuò)散溫度。

圖1 GCr15鋼塑性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 大方坯高溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)與分析

按照上述3種方案對240 mm×240 mm大方坯進(jìn)行工藝試驗(yàn)，實(shí)際加熱曲線如圖2所示。根據(jù)對小方坯加熱制度下材料塑性試驗(yàn)的結(jié)果，800 ℃以下時(shí)對大方坯進(jìn)行緩慢加熱，實(shí)際加熱時(shí)間為2 h，在800～1 250 ℃時(shí)進(jìn)行快速加熱升溫，以加快高溫?cái)U(kuò)散效率。

圖2 GCr15的加熱曲線

圖3、圖4分別為不同工藝條件下熱軋鋼坯邊部和心部金相組織。從圖中可以看出，鋼坯邊部的碳化物主要是成團(tuán)的粒狀物，而鋼坯中心的碳化物主要呈帶狀或網(wǎng)狀，且隨著保溫時(shí)間的延長，網(wǎng)狀碳化物逐漸變細(xì)。

圖3 不同工藝條件下GCr15鋼坯邊緣部分的金相組織

圖4 不同工藝條件下GCr15鋼坯中心的金相組織

從凝固過程來看，從GCr15鋼液冷卻開始，首先沿液相線結(jié)晶有高純度的初晶，周邊形成樹枝狀結(jié)晶，在凝固界面上，元素成分濃縮了的鋼液在樹枝間隙形成樹枝狀偏析，最后進(jìn)一步濃縮了的鋼液由共晶反應(yīng)結(jié)晶形成大塊的碳化物，其與奧氏體共存完成凝固過程。這是由于軸承鋼含碳量在1.0%左右，是過共析鋼，澆鑄時(shí)一次碳化物(Fe3C)產(chǎn)生枝晶偏析。且軸承鋼中含鉻量約為1.5%，合金元素鉻比基體更容易和碳結(jié)合，生成合金碳化物，使得碳在基體中的分布更加不均勻，富集于碳化物形成元素的分布地帶，或者是富集于某些特殊地帶，如晶界等處。

在熱加工時(shí)樹枝狀偏析被拉伸形成帶狀偏析，共晶碳化物以大塊狀態(tài)殘留下來，兩者均對鋼的強(qiáng)度有所影響，因此，于固相線以下的溫度長時(shí)間保溫，進(jìn)行均熱擴(kuò)散處理，消除大塊共晶碳化物，并減輕樹枝狀偏析。當(dāng)對大方坯進(jìn)行熱處理時(shí)，靠近邊緣的部分加熱升溫較快且溫度較中心部位要高，獲得的擴(kuò)散時(shí)間較長，大塊碳化物開始溶解而形成多數(shù)成團(tuán)的粒狀物，中心部位在碳化物溶解擴(kuò)散過程變成細(xì)薄的帶狀或網(wǎng)狀。

大方坯生產(chǎn)GCr15鋼時(shí)碳化物的析出情況見表3?？梢钥闯?，3種不同工藝進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散后，偏析為0.5級，碳化物液析均達(dá)到了0.5級，顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)存在TiN顆粒，需要進(jìn)一步改善軸承鋼原料結(jié)構(gòu)，避免大量Ti元素的帶入，導(dǎo)致形成類似液析的TiN顆粒。帶狀碳化物在1.0～2.5級之間，隨著加熱時(shí)間的增加沒有明顯的改善。但相對于160 mm×160 mm小方坯產(chǎn)生的偏析、碳化物液析、帶狀及網(wǎng)狀均有不同程度降低，滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)對GCr15鋼的要求。

表3 大方坯生產(chǎn)GCr15鋼碳化物的析出情況

2.3 GCr15鋼高溫?cái)U(kuò)散系數(shù)

鋼坯在煉鋼澆鑄過程中形成的不均勻的碳化物，可以通過軋制工序的加熱高溫?cái)U(kuò)散來緩解或消除。而高溫?cái)U(kuò)散的主要影響因素是加熱溫度與保溫時(shí)間，通常情況下，加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，則高溫?cái)U(kuò)散效果越好。但加熱時(shí)間長會導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低；加熱溫度太高會導(dǎo)致設(shè)備或質(zhì)量事故。因此確定合理的加熱溫度和保溫時(shí)間是保證鋼坯充分?jǐn)U散的必要保證。通過理論測算得出的GCr15鋼坯在不同溫度下的碳擴(kuò)散系數(shù)近似值見表4。

表4 不同溫度下GCr15鋼的碳擴(kuò)散系數(shù)

由表4可以看出，擴(kuò)散系數(shù)受加熱溫度的影響較大，加熱溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散效果越好。加熱溫度從1 180 ℃增至1 260 ℃時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)增加近1倍。

3 結(jié)論

(1)GCr15軸承鋼通過開坯加熱爐高溫?cái)U(kuò)散，采用1250℃加熱保溫2h，其坯檢、軋材碳化物液析和碳化物帶狀均能夠滿足GB/T 18254—2002標(biāo)準(zhǔn)的要求，解決了目前軋材中碳化物超標(biāo)的問題。

(2)碳化物帶狀級別偏高，雖然滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足高檔軸承鋼生產(chǎn)的需要。